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| 新能源汽車電池包防火塗料應用研究 |
發布時間：2022-7-29
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| 汽車行業是國家的支柱產業，中國汽車行業年產銷量已連續多年雄踞全球第一，同時汽車也是石油消耗和溫室氣體排放的主要因素。基於能源安全和溫室氣體減排目標的要求，國家不斷出台鼓勵新能源汽車的發展政策，傳統車企的新能源車型及新能源整車企業如雨後春筍般浮現。2019 年，中國國內共銷售了 120. 6 萬輛新能源汽車，其中純電動汽車 97. 2 萬輛，插電式混動23. 2 萬輛(汽車信息網發布中汽協數據)，連續五年成為世界新能源汽車產銷量第一大國。新能源汽車數量增長的同時，其相應的新的安全問題也日漸突出。2019 年 1-8 月，國內至少發生 20 起新能源汽車起火事件，其中絕大部分事故是由動力蓄電池故障引發。因此，當電池包發生故障時，如何提升電池包的防火安全性能，進而保證新能源車乘客安全，變成首要的安全問題。電池包內的熱失控會導致其內部發生短路，從而引起電池正負極材料發生劇烈化學反應，導致電芯溫度急劇上升、壓力過大、外殼破裂、整車自燃起火甚至爆炸等事故。電動汽車中的動力電池自燃具有燃燒速度快、熱值高、差異大和撲救困難等特點， 目前動力電池已經采取了很多的安全措施。如，通過電池結構設計，提高殼體材料防火性能，改善電池散熱係統，提升電芯材料防火性能等，從而提升電池包的防火能力，降低發生火災或爆炸的風險。目前各新能源汽車電池包的防火材料以鋪設防火氈材料為主，如，雲母板、超細玻璃棉、高矽氧棉氈等。當電池發生熱失控後，依靠防火氈材料可以有效隔絕熱量擴散和控製火勢走向，有效延緩電池熱擴散時間，從而提高電池包防火安全性。圖 1 為某新能源汽車使用的防火氈材料，防火塗料貼敷在電池盒上蓋外表麵，以減緩電池盒熱擴散時對乘員艙的熱量傳遞。雖然隔熱氈可以有效隔絕熱量擴散和控製火勢走向、延緩電池熱擴散時間，但增加防火氈方案也存 在質量增加、散熱性能差、設計施工過程中有一些局限性等問題，因此為了提高防火性能，使防火材料施工更柔性，本文基於新能源車防護需求研究了新能源汽車用防火塗料及其施工，並做了一定的驗證和總結。防火塗料的原理即隔離：防火塗料一般為難燃性或不燃性物質，當熱量聚集時可以防止被保護基材直接接觸空氣、火源，從而起到防火作用。受尺寸限製及空間要求，汽車電池包在車身上安裝後與車身貼合較為緊密、空間較小，且為了滿足小型化、輕量化的要求，其尺寸和電池盒模組及電路係統都非常緊湊，這導致電池包的防火塗層的膜厚為 3~7 mm，為有限的電池包提供零部件裝配空間。由於新能源汽車用防火塗料屬於新的需求，大部分供應商還沒有成熟的產品，目前主要是改進建 築用防火塗料，然後在車用電池包上進行驗證並優化。本研究從供應商提供的防火塗料中，選取了以下幾種防火塗料，如表 1 所示。從表 1 可以看出，供應商提供的防火塗料大部分 為膨脹型耐火機理，無溶劑和水性占大多數，大部分需要加熱固化以保證其耐火性能，多為雙組分。其中膨脹型防火塗料主要包括成膜物質、碳源、酸源、發泡劑、填料等，其主要成膜物質為丙烯酸樹脂、環氧樹脂或氟聚合物等。在加熱時塗層中熱能被轉化，防火塗層能迅速膨脹十幾倍至幾十倍並吸收周圍熱量，從而有效阻止高溫侵入其保護的基材，並以此達到防火目的。水性或無溶劑塗料可以避免揮發性有機物 VOC 的排放，便於廠內施工。雙組分及加熱固化材料可以降低材料的烘烤時間，從而提高生產速度、降低成本。綜合以上各種因素，最終選定了 B、C、F 這 3 種塗 料進行性能驗證及廠內施工驗證。根據汽車電池包內外空間要求，暫定的電池盒防火塗料施工厚度為0. 8~ 1. 5 mm，並基於選中的 B、 C、F 這 3 種防火塗料，選擇噴塗在電池包上蓋內部 和外部 2 種施工方案。為了解防火塗料施工在電池包上後，其性能是否能滿足整車性能要求，結合塗料性能和整車廠內相關材料工藝性能，在行業暫無實驗標準的情況下，參考了密封膠及塗料塗層的實驗 方法，製定了塗層性能實驗方法及指標 ，如表2 所示。從圖 2 可以看出，塗層 B、F 均可以滿足附著力0 級要求，而塗層 C 由於過脆導致塗層全部碎裂脫落，可見塗層 C 若使用在整車上，在比較苛刻的條件下， 可能存在碎裂脫落風險。在做密封膠附著力實驗時，需要將塗層做成如 圖 3 所示的形狀，實驗過程中發現防火塗層均較硬， 以現有的設備無法用刀片進行模擬密封膠的附著力測試，因此，對於現有的防火塗料來說，該項性能不太適用。測試剪切性能時，將塗料及試板做成如圖 4 所示，然後拉動左右側試板以檢測塗層的抗剪切性能，經檢測塗層的剪切力均符合表2 的性能指標要求。由圖 6 實驗結果可以看出這 3 種塗料均能滿足實驗要求。傳統建築用防火塗料，施工和使用條件比較簡單，而汽車用防火塗料施工條件則明顯複雜，因為整車的流水線生產要求防火塗料能夠連續混合供料、 施工；而防火塗料也會隨著整車行駛到任何環境中，因此對其性能要求也較高。熱固化防火塗料在施工時，施工的設備主要采用雙組分供料泵，可以通過控 製麵板控製供料比例、溫度等，如，固瑞克(GRACO ) XM 係列等，圖7、圖 8 為典型的防火塗料施工工藝和施工布局圖。在前期材料性能驗證同時初步研究了塗料的施工性能，試噴了 B 塗料、F 塗料，噴塗工藝如表 3 所示。2 種塗料均為受熱膨脹型防火塗料，當烘烤溫度偏高時(如，大於 120 ℃)會出現膨脹現象，所以為了保證防火效果，其在烘烤固化時要求的烘烤溫度均較低。2 種塗料的A、B 組分與密封膠材質基本相似，所以其施工設備均可以采用固瑞克(GRACO )XM 係列雙組分供料係統施工。在施工時 B 塗料的反應固化速度較慢，所以在較短時間停線時仍然可以施工，而 F 塗料的固化時間較短，但完全固化的時間較長，這需要在施工時不斷排出管路中的混合料，以避免堵槍，直接導致塗料利用率偏低(僅約 50%)，但是可以添加一些溶劑以臨時解決固化過快造成的堵槍問題 。同時由於這些塗料的固化時間較短，在施工間隙休息時需 要將已混合的管路清空並清洗，在下個班次生產時再安裝上新的管路，且由於噴塗時需要遮蔽非噴塗區域，這就導致遮蔽材料、過噴塗料、清洗用溶劑、過程中固化浪費材料較多，從而產生額外的危廢處理費用。這 2 種塗料在施工固化後搬運或緊固螺栓導致其型麵變化較大時，其周邊的材料均會有一定的開裂問題，所以其噴塗區域離緊固麵要有一定的距離 (如，大於25 mm )，以避免受力導致開裂。防火塗料與密封膠有一定的相似性(如，黏度等)，但是其與密封膠還是有本質的區別(如，烘烤後 硬度、柔韌性等)，所以密封膠性能不能代表防火塗料的性能，如，性能測試中的百格法附著力、密封膠附著力、冷彎曲、剪切強度等。因此，表2 中的石擊測試可以考慮參考 GB/T 1732— 1993《漆膜耐衝擊測定 法》來驗證，該標準主要檢驗零件在運輸、裝配過程中對塗層保護的容忍度，模擬塗層在車輛實際使用過程中是否會受到破壞等，而其他的性能標準還需要再不斷摸索和驗證。所以，對於汽車用防火塗料來說，建立標準是首要任務。通過以上實驗可以看出新能源汽車用防火塗料還不成熟，因為塗料大部分從建築用防火塗料優化而來，沒有獨立的體係，沒有按照整車需求進行獨立的開發，其現場施工難度很大，從塗料性能、塗料利用率等方麵來看，不如密封膠和其他塗料成熟，其配方和施工性能還有很大的提高空間，所以需要塗料供應商投入更多的精力盡快開發出更便捷、更利於施工、性能更好的塗料。汽車用防火塗料對於現有的設備供應商來說也是新的材料，在實驗時采用現有密封膠施工設 備，但是在實際實驗時發現，其隻能滿足基本的供料需求，無法滿足施工時的精確度要求，還需要對現有設備進行適度的改進，才能使防火塗料施工基本達到比較良好的狀態。所以，在防火塗料開發的同時，要有相應的施工設備，才能保證防火塗料的正常施工。對於新能源汽車來說，防火、防止熱擴散非常重要，不管是隔熱氈還是防火塗料都可以達到阻止熱擴散保護乘客的目的，目前隔熱氈的使用更成熟，而防火塗料還處於起步階段，配方和施工工藝還有很大的提升空間，需要塗料供應商、設備供應商和整車企業充分配合以開發出更柔性化、更易於施工的防火塗料。基於國家推動新能源汽車規劃，2025 年新能源汽車銷量占比將達到 20% 左右，2035 年純電動汽車成為新銷售車輛的主流，可見新能源汽車將成為主流，相應的電池包防護防火塗料市場將會更廣闊。
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